近年來,固體激光逐漸成為激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),特別是高能固體激光器(HESSL)的功率水平和光束質(zhì)量得到了顯著提高,目前連續(xù)模式固體激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了百千瓦的高光束質(zhì)量輸出。但是由于這類系統(tǒng)的電光效率普遍不高,產(chǎn)生的大量廢熱不僅對電源和熱管理提出了更高的要求,同時(shí)介質(zhì)熱應(yīng)力和熱致光學(xué)效應(yīng)也嚴(yán)重影響了激光器輸出功率和光束質(zhì)量的進(jìn)一步提升。本文主要圍繞影響非穩(wěn)腔式HESSL功率與光束質(zhì)量定標(biāo)放大的主要?jiǎng)恿W(xué)過程——激光動(dòng)力學(xué)、光腔動(dòng)力學(xué)和熱光動(dòng)力學(xué)及其之間的耦合相互作用,開展包括自發(fā)輻射放大、含畸變光腔本征模式分析、腔內(nèi)自適應(yīng)光學(xué)校正以及橫向模式不穩(wěn)定性等方面的理論與實(shí)驗(yàn)研究。非穩(wěn)腔式HESSL中的自發(fā)輻射放大(ASE)被認(rèn)為是除熱效應(yīng)之外限制其功率定標(biāo)放大的最主要因素。本文針對諧振腔與ASE的耦合相互作用開展了理論與實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)展了兩種描述固體激光介質(zhì)中ASE現(xiàn)象的數(shù)值模擬方法：基于蒙特卡洛模擬的光線追跡方法,以及基于鏡面成像和照明面技術(shù)的體積分方法。建立了包含ASE、激光動(dòng)力學(xué)和光腔動(dòng)力學(xué)的耦合模型,并利用薄片激光器的穩(wěn)定腔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性。利用該模型研究了諧振腔中ASE與主激光的競爭,指出ASE的存在提高了激光器的起振閾值,但不影響其斜率效率。比較分析了不同ASE抑制措施的效果,并給出了薄片穩(wěn)腔激光器中ASE效應(yīng)可忽略的判據(jù)。將追跡法與非穩(wěn)腔Fox-Li迭代相結(jié)合研究了腔內(nèi)ASE和激光振蕩的瞬態(tài)特性,指出ASE的存在對激光起振階段的弛豫振蕩具有抑制作用,縮短了弛豫時(shí)間。另一方面,能否有效抑制與校正腔內(nèi)畸變成為決定非穩(wěn)腔式HESSL光束質(zhì)量定標(biāo)放大能力的關(guān)鍵。腔內(nèi)相差校正的前提是正確認(rèn)識光腔在含畸變條件下的模式演化規(guī)律。因此,本文首先對含畸變非穩(wěn)腔的本征模式進(jìn)行了理論研究。發(fā)展了一套含畸變光學(xué)諧振腔的模式分析方法——本征模展開方法(EME),該方法利用一組正交完備基將光腔的本征方程轉(zhuǎn)化為基函數(shù)空間的本征值問題,通過數(shù)值求解該本征方程即可得到光腔的本征模場。利用該方法研究了含強(qiáng)畸變非穩(wěn)腔的模式特征,結(jié)果表明其本征模式之間不具備正交性,進(jìn)而從理論上指出在強(qiáng)畸變條件下非穩(wěn)腔需采取腔內(nèi)自適應(yīng)光學(xué)校正的必要性。比較分析了變折射率耦合輸出鏡非穩(wěn)腔(GRM-UR)和傳統(tǒng)非穩(wěn)腔(TUR)的本征模式特征。研究發(fā)現(xiàn),雖然GRM-UR的起振閡值要低于TUR,但在含強(qiáng)畸變時(shí)GRM-UR的光束質(zhì)量比TUR要差,這主要是因?yàn)榍罢叩那粌?nèi)光子壽命更長,從而使得相差累積效應(yīng)嚴(yán)重所致。此外,強(qiáng)畸變使得非穩(wěn)腔內(nèi)形成一種稱為“局域模式”的類穩(wěn)腔振蕩,這可能是腔內(nèi)元件出現(xiàn)局部損傷的起源。在對含畸變非穩(wěn)腔的模式特征充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上,開展了腔內(nèi)自適應(yīng)光學(xué)(ICAO)相差校正算法的理論與實(shí)驗(yàn)研究。首先分析了幾何光學(xué)近似下腔內(nèi)相差主動(dòng)補(bǔ)償算法的局限性；進(jìn)而提出了一種現(xiàn)實(shí)可行的、基于“同光路探測”+“共軛補(bǔ)償”+“松弛迭代”的ICAO校正算法——“往返探測法”；通過非穩(wěn)腔動(dòng)力學(xué)模擬和本征模式分析方法從理論上證明了該算法的可行性,并分別利用無源腔和低熱有源腔開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。結(jié)果表明：該算法探測光路簡單、具有較好的收斂性和穩(wěn)定性,不僅可以有效地補(bǔ)償腔內(nèi)的固有相差,而且顯著地改善了激光的光束質(zhì)量。該研究為非穩(wěn)腔式HESSL的ICAO校正提供了一條新思路。上述關(guān)于非穩(wěn)腔的模式特征與相差校正的討論均基于穩(wěn)態(tài)理論。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),非穩(wěn)腔在熱光強(qiáng)耦合條件下可能引起腔內(nèi)熱致畸變與激光模式的瞬態(tài)演化行為。本文針對非穩(wěn)腔式HESSL中可能存在的橫向模式不穩(wěn)定(TMI)現(xiàn)象開展了理論研究。TMI在物理上起源于熱-光-熱反饋機(jī)制與非穩(wěn)腔激光非對稱提取特性的耦合相互作用。通過對三種HESSL——Nd:YAG薄片激光器(Nd:YAG-TDL)、Yb:YAG薄片激光器(Yb:YAG-TDL)和直接液冷薄板條激光器(DLC-TSL)中不同的光-熱耦合反饋機(jī)制進(jìn)行分析,指出在高泵浦加載條件下光熱強(qiáng)耦合作用可能引起類似高能光纖激光中的激光輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象。利用包含激光動(dòng)力學(xué)、熱光動(dòng)力學(xué)與光腔動(dòng)力學(xué)的耦合模型,分別研究了三種激光器中的TMI。結(jié)果表明：在Nd:YAG-TDL和b:YAG -TDL中,增益飽和效應(yīng)會(huì)抑制熱光耦合,TMI只出現(xiàn)在特定參數(shù)范圍,通過選取合適的運(yùn)行參數(shù)可以避免其發(fā)生；而在DLC-TSL中由于沒有抑制冷卻液對激光吸收的反饋機(jī)制,TMI具有明顯的閾值特征,只能通過減小液體對激光的吸收產(chǎn)熱來避免。由于TMI的產(chǎn)生并不需要引入任何噪聲,因此可認(rèn)為是非穩(wěn)腔式HESSL的本征特性。利用Nd:YAG-TDL的非穩(wěn)腔出光實(shí)驗(yàn)定性驗(yàn)證了TMI的存在性。本論文對制約非穩(wěn)腔式HESSL功率與光束質(zhì)量定標(biāo)放大的主要因素進(jìn)行了較深入地理論與實(shí)驗(yàn)研究,揭示了其中多種耦合動(dòng)力學(xué)過程的物理演化規(guī)律,并對可能采取的解決措施進(jìn)行了探討,研究成果有望為此類激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。
【學(xué)位單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN248.1
【部分圖文】：

高能固體激光放大器的代表是諾斯羅普？格魯曼公司的基于主振蕩功率放大??（ＭＯＰＡ）的板條激光器。其采用單路振蕩器＋多増益模塊放大器，再通過多鏈路相干??合成輸出的技術(shù)路線（圖１．１）。該方案由美國聯(lián)合高能固體激光項(xiàng)目（ＪＨＰＳＳＬ）支持，??在２００７年口月利用Ｖｅｓｔａ模塊驗(yàn)證了單鏈路１５ｋＷ、約２倍衍射極限的輸出８；?２００８??年７月實(shí)現(xiàn)了兩鏈路相干合成的驗(yàn)證９；并在２００９年３月采用７路相干合成在世界上首??次實(shí)現(xiàn)了固體激光器大于ｌＯＯｋＷ的輸出，光束質(zhì)量ＢＱ？３．０?（圖１．２）?１０。??ｉｆｃ卿??＾？ｏｐｂｃ＜ｉ?Ｅｉｔｗｉｉ口：?Ｉ?Ｅｌｗｔｒｃｎｌ。?．１?－Ｊｂ??圖１．１諾？格公司的百千１：級固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖??２??

圖１．２?７路拼接光斑近場分布（左）、非相干合成遠(yuǎn)場分布（中）巧相干??合成遠(yuǎn)場分布（右）??諾？格公司單鏈路放大器的結(jié)構(gòu)如圖１．３所示：種子源輸出的單頻偏振光經(jīng)過兩級光??纖放大器后預(yù)放大到２００Ｗ，再注入主放大器；主放大器采用４個(gè)Ｎｄ：ＹＡＧ板條串接而??成，激光經(jīng)過主放大器雙通放大后實(shí)現(xiàn)１５ｋＷ輸出。其中，板條主放大器增益模塊采用??如圖１．４所示的端索浦方式，粟浦光由角部窗口注入板條，經(jīng)端面４５度反射后沿板條長??度方向傳輸，被慘雜區(qū)激活離子吸收。主激光由端面注入板條，通過在上下底面之間的??反射沿＂之＂字形光路傳輸，采用角度選通的方式實(shí)現(xiàn)雙通提�。▓D１．５）。??ＦＩＢＥＲ?Ｉ?ＦＲＥＥ?ＳＰＡＣＥ??ＦＨｍｔ??壬?以品化?丫喻。ｋＷ?ｒ??因?ｒ命－＇‘?＾?＿－回?Ａｔ?ｉ??Ｆｉｂ＾??Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ??－…Ｏｐｔｉｃａｌ??圖ｕ諾路公司單鏈路放大器的結(jié)構(gòu)示意圖??０ＬＡ??Ｖ．．６１國??■Ｂｉ＾＞?Ｎｄ

１００?ｋＷ?Ｎｅａｒ?Ｆｉｅｌｄ?ＩＭｅｎｓｉｔｙ??圖１．２?７路拼接光斑近場分布（左）、非相干合成遠(yuǎn)場分布（中）巧相干??合成遠(yuǎn)場分布（右）??諾？格公司單鏈路放大器的結(jié)構(gòu)如圖１．３所示：種子源輸出的單頻偏振光經(jīng)過兩級光??大器后預(yù)放大到２００Ｗ，再注入主放大器；主放大器采用４個(gè)Ｎｄ：ＹＡＧ板條串接而??激光經(jīng)過主放大器雙通放大后實(shí)現(xiàn)１５ｋＷ輸出。其中，板條主放大器增益模塊采用??１．４所示的端索浦方式，粟浦光由角部窗口注入板條，經(jīng)端面４５度反射后沿板條長??向傳輸，被慘雜區(qū)激活離子吸收。主激光由端面注入板條，通過在上下底面之間的??沿＂之＂字形光路傳輸，采用角度選通的方式實(shí)現(xiàn)雙通提取（圖１．５）。??

本文編號：2879175